物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)研究

齊康 溫家曼 姚俊銀

【摘?要】信息中心網(wǎng)絡(luò)（ICN）為未來的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了新的思路，已經(jīng)出現(xiàn)了許多基于ICN的物聯(lián)網(wǎng)解決方案，這些方案進(jìn)一步驗(yàn)證了ICN對物聯(lián)網(wǎng)的適用性。盡管有很多相關(guān)ICN架構(gòu)的研究，但目前的評估和驗(yàn)證方法仍然停留在對ICN本身的仿真和理論探討層面，如緩存優(yōu)化等。LeeH等[1]提出了ICN-OMF框架用于可擴(kuò)展內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)（CCN）測試平臺的控制和管理，包括對分散在不同地理位置的多個CCN節(jié)點(diǎn)的控制和管理。除此之外，ICN節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測與管理研究較少，大多數(shù)關(guān)聯(lián)研究專注于實(shí)現(xiàn)單個物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用領(lǐng)域。本文側(cè)重于構(gòu)建用于控制和監(jiān)視信息中心物聯(lián)網(wǎng)（IC-IoT）系統(tǒng)各設(shè)備節(jié)點(diǎn)的完整框架。

【關(guān)鍵詞】信息中心網(wǎng)絡(luò);物聯(lián)網(wǎng);節(jié)點(diǎn)監(jiān)測;訪問控制

引言

在最近幾年中，隨著我國物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，有效推動了我國信息通信技術(shù)水平的不斷提高，各種事物在任何地點(diǎn)與時間中取得通信聯(lián)系是當(dāng)前我國信息通信技術(shù)的重要發(fā)展目標(biāo)。在信息領(lǐng)域中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是一次新的變革，能夠?qū)π乱惠喌慕?jīng)濟(jì)發(fā)展高潮起到有效推動作用。

1物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測概述

隨著互聯(lián)網(wǎng)的不斷擴(kuò)展，適當(dāng)?shù)幕ヂ?lián)網(wǎng)管理（包括網(wǎng)絡(luò)分析和診斷）的重要性也日益增加，應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測和控制，管理各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)信息的集中管理。IoT有許多應(yīng)用領(lǐng)域，如智能家居和城市、交通系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)、醫(yī)療保健監(jiān)測系統(tǒng)等。許多研究采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）將與物理域關(guān)聯(lián)的信息、IoT驅(qū)動的計(jì)算系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)，可以無處不在地訪問位置、環(huán)境中不同實(shí)體的狀態(tài)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以進(jìn)行長期的IoT監(jiān)視。同樣為使網(wǎng)絡(luò)有效運(yùn)行，IoT也需要監(jiān)測、控制、記錄網(wǎng)絡(luò)性能和設(shè)備資源的使用情況，而設(shè)備的管理者負(fù)責(zé)收集網(wǎng)絡(luò)設(shè)備信息，包括設(shè)備特性、數(shù)據(jù)吞吐量、通信超載和錯誤等。未來IoT架構(gòu)將朝著以內(nèi)容為中心的方向發(fā)展，運(yùn)用IoT技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測系統(tǒng)也將隨之改變，在IC-IoT的應(yīng)用場景下，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測具有較大的研究空間。

2信息中心物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)監(jiān)測架構(gòu)

2.1硬件架構(gòu)

構(gòu)建基于新技術(shù)的監(jiān)測云平臺，使數(shù)據(jù)從感知、采集、傳輸、存儲、展示到預(yù)警、決策，邁向全自動化、信息化、實(shí)時化、科學(xué)化的新里程?；谖锫?lián)網(wǎng)架構(gòu)，將云平臺硬件架構(gòu)分為五個層級，分別是：感知層、采集層、通訊層、中心層和應(yīng)用層。感知層：包含現(xiàn)場布置的各類傳感器，如：雨量傳感器、水位傳感器、位移傳感器、應(yīng)變傳感器、滲流傳感器。其主要功能是將感知的現(xiàn)場工況準(zhǔn)確地反映出來，如：水位變化、位移變化等。采集層：包含現(xiàn)場安裝的各類采集設(shè)備，如：工情采集設(shè)備（MCU）、水情采集設(shè)備（RTU）等。其主要功能是準(zhǔn)確采集傳感器的數(shù)據(jù)、臨時存儲及數(shù)據(jù)發(fā)送。通訊層：包含現(xiàn)場的無線或者有線通信網(wǎng)絡(luò)，如：2G/3G/4G/5G通信網(wǎng)絡(luò)、LORA通信網(wǎng)絡(luò)、光纖通信網(wǎng)絡(luò)等。其主要功能是作為媒介，將采集層設(shè)備的數(shù)據(jù)可靠地傳輸至中心層。

2.2基于名稱的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)獲取

ICN中的每個路由器都有3個功能模塊用于路由和轉(zhuǎn)發(fā)內(nèi)容：內(nèi)容存儲（CS）、未決興趣表（PIT）、轉(zhuǎn)發(fā)信息庫（FIB）?；谶@種轉(zhuǎn)發(fā)策略，在ICN中信息的分配更加高效、準(zhǔn)確。這與IC-IoT的有效管理機(jī)制設(shè)計(jì)目標(biāo)一致。同樣定義3個表：數(shù)據(jù)塊重要性表、數(shù)據(jù)塊結(jié)構(gòu)表、數(shù)據(jù)跟蹤表。數(shù)據(jù)塊重要性表記錄每個數(shù)據(jù)塊的重要性，數(shù)據(jù)塊結(jié)構(gòu)表記錄數(shù)據(jù)塊間的拓?fù)湫畔?，它們都存儲在中心?shù)據(jù)塊中;數(shù)據(jù)跟蹤表存儲在各子數(shù)據(jù)塊中，包含了內(nèi)容名稱和下一個存有該內(nèi)容的數(shù)據(jù)塊名稱。

2.3開發(fā)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺

在進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺的構(gòu)建過程中，基本上采用基于B/S的構(gòu)架設(shè)計(jì)模式，能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行狀態(tài)的實(shí)時檢測，并且在運(yùn)行的過程中，也可以進(jìn)行遠(yuǎn)程的控制，并對統(tǒng)計(jì)報(bào)表功能進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。在進(jìn)行系統(tǒng)的操控過程中，工作人員也可以使用手機(jī)移動端上的APP進(jìn)行遠(yuǎn)程的訪問。在呈現(xiàn)的監(jiān)控狀態(tài)當(dāng)中，需要對當(dāng)下以及過去的歷史溫度、水位、煙霧度、工作狀態(tài)以及故障記錄進(jìn)行顯示。在進(jìn)行狀態(tài)記錄的生成過程中，還需要對生產(chǎn)年月日，進(jìn)行報(bào)表形式的體現(xiàn)，以此保障工作人員在進(jìn)行監(jiān)測的過程中，可以對網(wǎng)絡(luò)在一段特定時間內(nèi)的狀態(tài)進(jìn)行查詢和了解，這樣也是保障在后期對其系統(tǒng)或者網(wǎng)絡(luò)，開展改造和優(yōu)化工作當(dāng)中，提供出可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。同時管理人員也能夠在系統(tǒng)的后臺，對其系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程的控制，使其可以對網(wǎng)絡(luò)智能蓋板進(jìn)行操作，并獲取到相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)智能蓋板當(dāng)中的參數(shù)等數(shù)據(jù)信息。

2.4安全認(rèn)證協(xié)議防護(hù)

根據(jù)安全認(rèn)證協(xié)議實(shí)現(xiàn)成本的不同與加密復(fù)雜性，安全認(rèn)證協(xié)議大致可以劃分為輕量級協(xié)議、中量級協(xié)議、重量級協(xié)議。（1）輕量級協(xié)議，在進(jìn)行設(shè)計(jì)過程中需要對系統(tǒng)成本費(fèi)用進(jìn)行深入考慮，通過選用簡單的位運(yùn)算，來開展相關(guān)的認(rèn)證計(jì)算，輕量級協(xié)議的安全性并不高，在商品零售行業(yè)中可以使用輕量級協(xié)議。（2）中量級協(xié)議，能夠?qū)ο到y(tǒng)的實(shí)現(xiàn)成本與系統(tǒng)的安全性進(jìn)行同時兼顧。對于中量級協(xié)議，它主要選用加密認(rèn)證算法為Hash運(yùn)算，所以中量級協(xié)議是比較靈活的。其中，分布式詢問一應(yīng)答協(xié)議是一種普遍使用的中量級協(xié)議，同時也屬于雙向認(rèn)證協(xié)議，通過進(jìn)行標(biāo)簽、讀寫器的交互操作與后臺數(shù)據(jù)庫的查詢，能夠?qū)?biāo)簽、讀寫器進(jìn)行雙向認(rèn)證。

2.5物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

采用Kafka的消息隊(duì)列處理機(jī)制實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)帶來的多層次、復(fù)雜的信息交互。Kafka是一種高吞吐量的分布式發(fā)布訂閱消息系統(tǒng)，它可以處理消費(fèi)者在網(wǎng)站中的所有動作流數(shù)據(jù)。這種動作（網(wǎng)頁瀏覽、搜索和其他用戶的行動）是現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)中的許多社會功能的一個關(guān)鍵因素。這些數(shù)據(jù)通常是由于吞吐量的要求而通過處理日志和日志聚合來解決。對于像Hadoop一樣的日志數(shù)據(jù)和離線分析系統(tǒng)，但又要求實(shí)時處理的限制，這是一個可行的解決方案。Kafka的目的是通過Hadoop的并行加載機(jī)制來統(tǒng)一線上和離線的消息處理，也是為了通過集群來提供實(shí)時的消息。

結(jié)束語

針對物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展可能面臨的網(wǎng)絡(luò)安全新形勢、新需求和新特性，需要從健全物聯(lián)網(wǎng)安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、構(gòu)建適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的安全防護(hù)機(jī)制、搭建物聯(lián)網(wǎng)全生命周期立體防御體系、探索新技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)安全領(lǐng)域新應(yīng)用等方面，聯(lián)合物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈各方力量，共同打造物聯(lián)網(wǎng)安全生態(tài)，促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)健康良性發(fā)展。

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（作者單位：武漢東湖學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院）